(57)【要約】【課題】  燃料電池の出力のさらなる向上を図る。【解決手段】  燃料電池に用いられ、表面１１ｂ側から裏面１１ｂ側に向けて燃料または空気が通過される導電性多孔質体１１であって、同一の発泡孔１１ａが表裏面１１ｂ、１１ｂに開口するとともに、面方向で隣合う発泡孔１１ａ、１１ａ同士が連通している。【選択図】    図１
2006344412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられ、表面側から裏面側に向けて燃料または空気が通過される導電性多孔質体であって、
同一の発泡孔が表裏面に開口するとともに、面方向で隣合う発泡孔同士が連通していることを特徴とする燃料電池に用いられる導電性多孔質体。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池に用いられる導電性多孔質体を備えることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられる導電性多孔質体および燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池としては、例えば固体高分子型燃料電池やダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）等が知られており、一般に、表面側から裏面側に向けて燃料または空気が通過される導電性多孔質体が備えられている。この導電性多孔質体としては、例えば下記特許文献１に示されるような、三次元網目構造を有する構成が知られている。
【特許文献１】特開２００５−２９８０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、この燃料電池にあっては、近年、出力のさらなる向上が求められている。
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたもので、出力のさらなる向上を図ることが可能になる燃料電池に用いられる導電性多孔質体および燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の燃料電池に用いられる導電性多孔質体は、燃料電池に用いられ、表面側から裏面側に向けて燃料または空気が通過される導電性多孔質体であって、同一の発泡孔が表裏面に開口するとともに、面方向で隣合う発泡孔同士が連通していることを特徴とする。
【０００５】
この発明では、同一の発泡孔が導電性多孔質体の表裏面に開口しているので、この導電性多孔質体が燃料電池に備えられ、燃料または空気を、導電性多孔質体をその厚さ方向に通過させたときに、該通過後の前記燃料等の流速の低下、つまり圧力損失を最小限に抑えることが可能になる。したがって、この燃料電池に例えばポンプが備えられ、該ポンプにより前記燃料等を導電性多孔質体に供給する構成において、該ポンプの消費電力を最小限に抑制することが可能になり、またこのポンプを使用する構成に代えて、いわゆるパッシブ型の燃料電池においては、前記燃料等が導電性多孔質体を通過する流速を増大させることが可能になる。
以上より、燃料電池の出力の向上を図ることができる。
【０００６】
また、前記導電性多孔質体が、いわゆるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）に備えられた場合には、アノード極で副生成物として発生した二酸化炭素を、良好に導電性多孔質体を通過させることが可能になり、前記二酸化炭素が導電性多孔質体に付着して、前記発泡孔を塞ぐことを抑制することができる。したがって、前記ＤＦＭＣを使用する過程において、前記二酸化炭素の付着により、反応場へのメタノール水溶液（燃料）の供給効率が低下することを抑えることが可能になる。
以上より、燃料電池の出力が使用の過程で徐々に低下することを抑制することができる。
【０００７】
さらに、前記導電性多孔質体の面方向で隣合う発泡孔同士が連通しているので、前記燃料等が導電性多孔質体をその厚さ方向に通過する際に、該燃料等を、導電性多孔質体の内部を面方向に拡散させながら通過させることが可能になる。したがって、導電性多孔質体を通過する前記燃料等の流速が、該導電性多孔質体の表面に沿った方向でばらつくこと、つまり該表面に沿った方向で前記燃料等の圧力差が生ずることを抑制することが可能になり、この燃料電池の出力の向上を図ることができる。
【０００８】
また、本発明の燃料電池は、請求項１記載の燃料電池に用いられる導電性多孔質体を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池に用いられる導電性多孔質体および燃料電池では、その出力のさらなる向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の一実施形態に係る燃料電池に用いられる導電性多孔質体１１は、シート状とされるとともに、図１に示すように、その内部に無数の発泡孔１１ａが、該多孔質体１１の表裏面１１ｂ、１１ｂおよび側面に開口した状態で形成されている。すなわち、同一の発泡孔１１ａは、導電性多孔質体１１の表裏面１１ｂ、１１ｂに開口するとともに、面方向で隣合う発泡孔１１ａ、１１ａ同士が連通している。また、導電性多孔質体１０の厚さは、発泡孔１１ａの仮想発泡径Ａ以下とされている。なお、仮想発泡径Ａは、導電性多孔質体１１（後述するスラリーＳ）の厚さが十分に大きい場合に、後述する発泡剤が、図１の二点鎖線に示すように、最大限発泡したときの発泡孔１１ａの内径をいう。
【００１１】
面方向で隣合う発泡孔１１ａ、１１ａ同士の間に位置される骨部１２は、導電性多孔質体１１の表裏面１１ｂ、１１ｂからそれぞれ、その厚さ方向中央部に向かうに従い漸次、この導電性多孔質体１１の表裏面１１ｂ、１１ｂに沿った方向における大きさが小さくされる先細り形状とされ、面方向で隣合う発泡孔１１ａ、１１ａ同士は、この導電性多孔質体１１の厚さ方向中央部で連通されている。なお、この導電性多孔質体１１は、気孔率や厚さを適宜調節でき、使用できる原料金属も多様である発泡金属焼結シートから形成されている。
【００１２】
ここで、導電性多孔質体１１に好適な発泡金属焼結シートの製造方法について説明する。この発泡金属焼結シートは、例えば金属粉末を含むスラリーＳを薄く成形して乾燥させたグリーンシートＧを焼成することにより製造される。
【００１３】
スラリーＳは、導電性を有する金属粉末、発泡剤（例えば炭素数５〜８の非水溶性炭化水素系有機溶剤（例えばネオペンタン、ヘキサン、ヘプタン））、有機バインダ（例えばメチルセルロースやヒドロキシプロピルメチルセルロース）、溶媒（水）等を混合したものである。このスラリーＳをドクターブレード法により薄く成形するグリーンシート製造装置５０を図５に示す。
【００１４】
グリーンシート製造装置５０において、まず、スラリーＳが貯蔵されたホッパー５１から、キャリアシート５２上にスラリーＳが供給される。キャリアシート５２はローラ５３によって搬送されており、キャリアシート５２上のスラリーＳは、移動するキャリアシート５２とドクターブレード５４との間で延ばされ、所要の厚さに成形される。
【００１５】
成形されたスラリーＳは、さらにキャリアシート５２によって搬送され、加熱処理を行う発泡槽５５および加熱炉５６を順次通過する。発泡槽５５では高湿度雰囲気下で加熱処理を行うので、スラリーＳにひび割れを生じさせずに発泡剤を発泡させて発泡孔を形成することができる。この際、同一の発泡孔はスラリーＳの表裏面に達して、該表裏面に開口するとともに、面方向で隣合う発泡孔同士は、スラリーＳの厚さ方向中央部で連通される。そして、このスラリーＳが加熱炉５６で乾燥されると、金属粉末が有機バインダによって接合された状態のグリーンシートＧが形成される。
【００１６】
このグリーンシートＧを、キャリアシート５２から取り外した後、図示しない真空炉で脱脂、焼成することにより、有機バインダが取り除かれ、金属粉末同士が焼結した発泡金属焼結シートが得られる。そして、この発泡金属焼結シートを任意の大きさに切断することにより、導電性多孔質体１１が得られる。
【００１７】
次に、この導電性多孔質体１１を燃料電池に用いた第１実施形態について図２に従い説明する。
この燃料電池２０は、いわゆる平面配置型構造とされ、各々が導電性多孔質体１１を有する一対の電極部材１０、１０と、これらの電極部材１０、１０の電極面１０ａ、１０ａに挟まれた電解質層３０と、燃料極Ａとしての一方の電極部材１０に燃料を供給する燃料供給部４０とを備える概略構成とされている。電解質層３０は、例えばフッ素樹脂系の高分子電解質膜で形成され、膜中では水素イオンが移動可能である反面、電子を通過させないという性質を有している。なお、一対の電極部材１０、１０のうち他方は空気極Ｂとされている。
【００１８】
ここで、電極部材１０は、図３に示されるように、複数枚の導電性多孔質体１１が面方向に間隔をおいて配置された状態で、各導電性多孔質体１１間を埋めるとともに全体の外周を囲むように樹脂部１３が設けられている。そして、各導電性多孔質体１１の一端には、樹脂部１３の外周まで延びる金属薄板タブ９２が接続されている。
この電極部材１０は、例えば導電性多孔質体１１に金属薄板９２を溶着したものをインサート部品として、射出成形により樹脂部１３を成形することによって形成される。これにより、導電性多孔質体１１と金属薄板９２と樹脂部１３とが一体とされた電極部材１０が得られる。
【００１９】
燃料極Ａは、電極面１０ａを構成する導電性多孔質体１１の一方の表面１１ｂが触媒層Ｃを介して電解質層３０に接続されるとともに、この表面１１ｂと反対側の裏面１１ｂが燃料を保持および供給する燃料供給部４０に接続されている。触媒層Ｃは空気極Ｂの導電性多孔質体１１にも同様に形成され、各導電性多孔質体１１の前記一方の表面１１ｂに、白金系触媒微粒子を担持させたカーボン粒子を含む高分子電解質溶液を塗布することにより形成される。
【００２０】
燃料極Ａおよび空気極Ｂにそれぞれ４つ連設された各導電性多孔質体１１は、これら１１に各別に設けられた金属薄板９２を介して導電性多孔質体１１の連設方向に直列に接続されるように、電解質層３０を挟んでこの連設方向の隣に位置する導電性多孔質体１１の金属薄板９２に、配線１６を介して接続されている。そして、前記連設方向の両端に位置する金属薄板９２がこの燃料電池２０の陽極２１、陰極２２として機能するようになっている。
【００２１】
燃料供給部４０は、燃料（ここではメタノール水溶液）を保持し、かつこの燃料を燃料極Ａの導電性多孔質体１１に供給するフェルト等からなる多孔質部４１が、樹脂枠４２によって被覆された構成とされている。そして、燃料供給部４０の多孔質部４１を燃料極Ａの導電性多孔質体１１に接触させて配置することにより、多孔質部４１に保持された燃料を、浸透圧によって導電性多孔質体１１に供給できるようになっている。燃料供給部４０の樹脂枠４２と電極部材１０の樹脂部１３とは、例えば超音波接合される。
【００２２】
以上より、燃料極Ａおよび空気極Ｂの導電性多孔質体１１は、この燃料電池２０において通気性および導電性を備えることにより、いわゆるガス拡散層と集電板とを兼ねるようになっている。
なお、触媒層Ｃは、本実施形態では、燃料極Ａおよび空気極Ｂにおいて、各導電性多孔質体１１の、前記電極面１０ａを構成する表面１１ｂに塗布形成したが、導電性多孔質体１１と電解質層３０との界面に設けられていればよいので、電解質層３０の表面に形成してもよい。
【００２３】
以上のように構成された燃料電池２０は、燃料供給部４０から燃料極Ａの導電性多孔質体１１に供給された燃料中の水素が、触媒層Ｃ上で電極反応によりイオン化して電解質層３０中を空気極Ｂに向かって移動する。そして、この空気極Ｂに到達した水素イオンは、空気極Ｂにおいて、電解質層３０と触媒層Ｃとの界面で、導電性多孔質体１１の、前記電極面１０ａを構成する表面１１ｂと反対側の裏面１１ｂから供給された空気中の酸素と電極反応して水を生成する。
一方で、前記水素のイオン化により燃料極Ａで発生した電子は、燃料極Ａから金属薄板９２を介して空気極Ｂへ移動し、該移動により電気エネルギが発生する。
【００２４】
次に、導電性多孔質体１１を燃料電池に用いた第２実施形態について図４に従い説明する。なお、図１から図３で示した形態と同一の部位には同一符号を付してその説明は省略する。
【００２５】
この燃料電池６０は、いわゆるスタック型構造とされ、各々が導電性多孔質体１１を有する一対の電極部材６１、６１と、これらの電極部材６１、６１の電極面６１ａ、６１ａに挟まれた電解質層３０とを備える積層構造体６０ａが、セパレータ６２を介して積層された概略構成とされている。各積層構造体６０ａにおいて、一方の電極部材６１が燃料極Ａ、他方の電極部材６１が空気極Ｂとされている。図示の例では、一の積層構造体６０ａの燃料極Ａが、セパレータ６２を介して他の積層構造体６０ａの空気極Ｂと対向するように配置されている。なお、セパレータ６２は、空気や燃料となるガスまたは液体を通過させず導電性を有する材質、例えばカーボン板や耐食性のある金属（ステンレス鋼）板等により形成されている。
【００２６】
本実施形態の電極部材６１は、導電性多孔質体１１の外周縁をその全域に亙って囲み、該多孔質体１１の面方向に延びる樹脂部１３が、導電性多孔質体１１の外周縁部に接合された概略構成とされている。
また、燃料電池６０には、導電性多孔質体１１の配設位置を回避した位置に、前記積層された方向に貫通する複数の貫通孔６０ｂが形成されている。
【００２７】
前記積層構造体６０ａにおいて、前記電極面６１ａ、６１ａ、すなわち一対の電極部材６１、６１をそれぞれ構成する導電性多孔質体１１の互いに対向する一方の表面には、前記第１実施形態と同様に触媒層Ｃが形成されており、該触媒層Ｃを介して各導電性多孔質体１１が電解質層３０に接続されている。
【００２８】
以上の構成において、一の前記貫通孔６１ｂに供給された燃料が、各燃料極Ａの導電性多孔質体１１を厚さ方向に通過しながら電解質層３０と触媒層Ｃとの界面に水素を供給することにより、該水素が前記第１実施形態と同様にイオン化する。そして、この水素イオンは、電解質層３０を挟んで対向して位置された空気極Ｂに到達したときに、この空気極Ｂにおける電解質層３０と触媒層Ｃとの界面で、燃料電池６０に供給された空気中の酸素と電極反応して水を生成する。その一方で、前記水素のイオン化により発生した電子は、前記水素イオンとともに燃料極Ａから空気極Ｂへと移動し、該移動により電気エネルギが発生する。なお、本実施形態では、セパレータ６２が設けられたことにより、一の積層構造体６０ａと他の積層構造体６０ａとを気密に隔てるとともに、セパレータ６２を通じて各積層構造体６０ａ同士の間で電子のやりとりが行われることになる。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態による導電性多孔質体１１によれば、同一の発泡孔１１ａが導電性多孔質体１１の表裏面１１ｂ、１１ｂに開口しているので、この導電性多孔質体１１が燃料電池２０、６０の電極部材１０、６１に備えられ、燃料または空気を、導電性多孔質体１１をその厚さ方向に通過させたときに、該通過後の前記燃料等の流速の低下、つまり圧力損失を最小限に抑えることが可能になる。
【００３０】
したがって、この燃料電池に例えばポンプが備えられ、該ポンプにより燃料または空気を導電性多孔質体１１に供給する構成において、該ポンプの消費電力を最小限に抑制することが可能になり、またこのポンプを使用する構成に代えて、いわゆるパッシブ型の燃料電池においては、前記燃料等が導電性多孔質体１１を通過する流速を増大させることが可能になる。
以上より、燃料電池の出力の向上を図ることができる。
【００３１】
また、導電性多孔質体１１が、いわゆるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）に備えられた場合には、アノード極で副生成物として発生した二酸化炭素を、良好に導電性多孔質体１１を通過させることが可能になり、前記二酸化炭素が導電性多孔質体１１の骨部１２に付着して、発泡孔１１ａを塞ぐことを抑制することができる。したがって、前記ＤＦＭＣを使用する過程において、前記二酸化炭素の付着により、反応場へのメタノール水溶液（燃料）の供給効率が低下することを抑えることが可能になる。
ことを抑えることが可能になる。
以上より、燃料電池の出力が使用の過程で徐々に低下することを抑制することができる。
【００３２】
さらに、導電性多孔質体１１の面方向で隣合う発泡孔１１ａ同士が連通しているので、前記燃料等が導電性多孔質体１１をその厚さ方向に通過する際に、該燃料等を、導電性多孔質体１１の内部を面方向に拡散させながら通過させることが可能になる。したがって、導電性多孔質体１１を通過する前記燃料等の流速が、該導電性多孔質体１１の表面に沿った方向でばらつくこと、つまり該表面１１ｂ、１１ｂに沿った方向で前記燃料等の圧力差が生ずることを抑制することが可能になり、この燃料電池の出力の向上を図ることができる。
【００３３】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
燃料電池の出力のさらなる向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態として示した導電性多孔質体であって、（ａ）その拡大平面図、および（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【図２】図１に示す導電性多孔質体を用いた燃料電池の第１実施形態を示す断面図である。
【図３】図２に示す電極部材の概略斜視図である。
【図４】図１に示す導電性多孔質体を用いた燃料電池の第２実施形態を示す断面図である。
【図５】導電性多孔質体を製造する方法の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０、６１  電極部材
１１  導電性多孔質体
１１ａ  発泡孔
１１ｂ  導電性多孔質体の表面または裏面
２０、６０  燃料電池
【図１】
2006344412.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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